Код:

Lilitochka-club

Информация о пользователе

Привет, Гость! Войдите или зарегистрируйтесь.


Вы здесь » Lilitochka-club » Байкал » Байкальский нейтринный телескоп


Байкальский нейтринный телескоп

Сообщений 1 страница 4 из 4

1

К. Вохмянина
Байкальский подводный нейтринный телескоп

    В 1930 году при изучении продуктов радиоактивного распада ядер было обнаружено, что энергия распадающегося ядра больше суммарной энергии продуктов распада. Вольфганг Паули предположил, что в продуктах распада должна быть еще одна легкая незаряженная частица, которая и уносит эту недостающую энергию. Энрико Ферми назвал ее “нейтрино”. Хотя предположение Паули было правильным, экспериментально оно было подтверждено только в 1956 году, когда американские физики обнаружили взаимодействие с веществом нейтрино, вылетающих из ядерного реактора.
    Нейтрино - это двигающиеся со скоростью света, нейтральные частицы. До недавнего времени считалось, что их масса равна нулю. Экспериментальное исследование этих частиц чрезвычайно затруднено, поскольку нейтрино имеют очень маленькое сечение взаимодействия с веществом(10-43см2). Для них проницаемо практически все, они беспрепятственно преодолевают гигантские расстояния и доставляют на Землю сведения об интереснейших процессах, “свидетелями” которых они были несколько минут или несколько миллиардов лет назад. Поэтому сегодня нейтрино-объект изучения мощных научных лабораторий во всех странах мира.
    Нейтрино образуются в ходе разных ядерных реакций, поэтому их можно условно разделить по происхождению. Один из источников нейтрино - распад ядер в реакторах атомных электростанций. Другой источник - атмосфера Земли. Верхние слои атмосферы постоянно бомбардируются частицами, прилетающими из космоса (в основном это протоны). Энергии их таковы, что они порождают цепочки ядерных реакций, одним из продуктов которых могут быть нейтрино. Источником нейтрино служит, конечно, Солнце. Именно солнечные нейтрино помогают понять процессы, происходящие внутри Солнца и других звезд. И, наконец, следует сказать о нейтрино сверхвысоких энергий, потоки которых возникают, например, при взрывах сверхновых.
    Для регистрации различных нейтрино строятся соответствующие установки, которые отличаются конструкцией, размерами и местоположением, в соответствии с тем, какой метод детектирования они осуществляют и на какую энергию частиц рассчитаны.
    В данной работе приводится описание подводного детектора, регистрирующего черенковское излучение, генерируемое мюонами, рождаемыми в реакциях взаимодействия нейтрино с веществом.
Байкальский подводный нейтринный телескоп

     При прохождении через вещество нейтрино может взаимодействовать с различными частицами вещества, в том числе протекает следующая реакция:

p + νμ -  μ + n.

При прохождении через достаточно плотную среду, например, воду, быстрый мюон генерирует черенковское излучение, которое можно зарегистрировать светочувствительными детекторами.
    В 1980 г. в ИЯИ АН СССР была создана лаборатория нейтринной астрофизики высоких энергий, целью которой стало создание на озере Байкал глубоководных черенковских установок для исследования потоков мюонов и нейтрино. Создание больших детекторов для исследований в области нейтринной астрофизики в таком естественном водоеме как озеро Байкал имело следующие преимущества:
    1. Наличие мест в озере Байкал с глубиной более 1 км, расположенных недалеко от берега.
    2. Поглощение и рассеяние света в Байкальской воде мало. Длина поглощения света в месте дислокации детектора составляет 20 м. Длина рассеяния около 15 м.
    3. Наличие ледового покрова в течение приблизительно 8 недель существенно облегчает развертывание детектора (по сравнению с реализацией аналогичных проектов в океане).

http://s015.radikal.ru/i331/1104/86/95b64fd36e40.jpg
Рис. 1. Спутниковая фотосъемка озера Байкал 29 мая 2001 года

http://s05.radikal.ru/i178/1104/53/3536ace73f5f.gif
Рис. 2. Детектор расположен на расстоянии 3.6 км от берега и погружен на глубину 1.1км.
(местоположение на карте указано звездочкой)

   В 80-х годах, благодаря наличию в НИИЯФ МГУ хорошего вычислительного комплекса ЕС-1040 и ЕС-1066, были созданы основные программы моделирования отклика детектора на прохождение мюона в воде, использовавшиеся при проектировании нейтринного телескопа.
    В связи со сложностью (с инженерной точки зрения) глубоководных установок к работе сотрудничества были привлечены инженеры-механики из Нижегородского государственного технического университета и Государственного морского технического университета из С.-Петербурга. С 1987 г. в работе сотрудничества “Байкал” активное участие принимает группа физиков из Германии (ifh -DESY).
   Байкальский нейтринный телескоп состоит из двух сотен светочувствительных фотоумножителей (“Квазаров”), закрепленных на восьми тросах (стрингах) и спущенных в воду южного Байкала на глубину больше километра. Стринги собраны в единую зонтикообразную структуру (рис.3)
   Сигналы от “квазаров” уходят по проложенным по дну кабелям на берег, где располагается Центр управления, приема и обработки данных телескопа. “Квазары” регистрируют в среднем 10 вспышек за секунду, почти 900 тысяч в сутки – и это при условии, что километровая толща воды над фотоумножителями отсекает большую часть посторонних частиц, движущихся сверху. Поэтому, регистрируя каждую частицу, определяют ее траекторию и, затем, отбирают только те частицы, которые двигались снизу вверх (они рождаются в воде или в толще Земли при прохождении нейтрино сквозь земной шар). Одна такая частица попадается раз в двое суток. Ниже на рис.5 приведена схема устройства детектирующего модуля (“Квазара”).

http://i021.radikal.ru/1104/6b/84a9e44f3305.gif
Рис.3. Слева: трос с укрепленными на нем детектирующими устройствами и управляющим модулем.
Справа: вся светочувствительная часть детектора (соединение стрингов в единую структуру).

http://s39.radikal.ru/i083/1104/91/48208bb3ca3a.gif
Рис.4.Экспериментальная схема стринга с детектирующими и управляющими модулями на нем.
(SEM - электронный стринговый модуль, DEM – электронный детекторный модуль)

http://s41.radikal.ru/i091/1104/8e/a5365ee8fc99.jpg
Рис.5. Особенность “Квазара” состоит в том, что у него очень высокое напряжение внутри колбы – 25 кВ. Поэтому магнитное поле Земли не искажает траектории фотоэлектронов внутри колбы. Помимо этого “Квазар” имеет очень большой диаметр чувствительного слоя (370 мм). Это устройство выдерживает давление до 150 атмосфер на глубине 1100-1200 метров.

    Работы, выполненные при создании установки, можно разбить на несколько этапов:
1981-1985 г.г. Освоение методики глубоководной регистрации. Измерение оптических характеристик водной среды в месте дислокации будущего детектора.
1986-1989 г.г. Строительство и эксплуатация глубоководной установки по поиску магнитного монополя, катализирующего распад протона.
1987-1991 г.г. Создание и испытание глубоководного оптического модуля на основе фотоприемника “Квазар -370”. Создание программ моделирования отклика ОМ на прохождения мюонов.
1989-1992 г.г. Проектирование глубоководного нейтринного телескопа НТ-200. Разработка и создание механических конструкций детектора и инженерного оборудования для его развертывания.
1993-1998 г.г. Создание и эксплуатация прототипов нейтринного телескопа НТ-200 . Разработка алгоритмов восстановления траектории мюонов и выделение первых нейтринных событий.

    Калибровка детектора проводилась на основе данных от атмосферных мюонов (рис.6), верхний порог которых не превышает 20 ГэВ.

http://s001.radikal.ru/i193/1104/8c/5561bc6f4dd5.gif
Рис.6. Угловое распределение атмосферных мюонов.
Сплошная линия отображает теоретические расчеты, а крестами показаны экспериментальные данные.

http://s46.radikal.ru/i114/1104/85/7171130861b2.gif
Рис.7. Небесная карта нейтринных событий, полученная на NT-200.

Изначально NT-200 создавался как детектор частиц (нейтрино) сверхвысоких энергий.Были проведены эксперименты по детектированию нейтрино сверхвысоких энергий. Для этого регистрировались события, которые возникали при прохождении высокоэнергетичных частиц. Функцией энергии стало число детектируемых импульсов, которые вызвала частица, проходя мимо “Квазаров”.
    Из графика на рис.8 видно, что при Nhit > 45 экспериментально уже ничего не видно, размеры детектора не позволяют регистрировать частицы с энергией выше 10 ГэВ.

http://s50.radikal.ru/i127/1104/66/79fb8545147d.gif

Рис.8. Красные точки - эксперимент, Зеленые квадраты - теоретическое ожидание для ливней, порожденных атмосферными мюонами

http://s005.radikal.ru/i209/1104/55/c9c0b6c4386b.gif
Рис.9. Схема расширенного NT-200+ (показаны профиль и вид сверху)

  Для Nhit>50 (функция энергии нейтрино) эффективный объем варьируется от 2 ×105 м3 для энергии 10 ТэВ до 6 ×106 м3 для 10000 ТэВ, что значительно превышает рабочий объем телескопа.
    В настоящее время эффективный размер телескопа планируется увеличить, за счет погружения 3-х дополнительных стрингов по схеме, изображенной на рис.9.
Заключение

Итак, по данным ИЯИ РАН

Нейтринный телескоп NT-200
( Существует на настоящий момент )
глубина - 1100-1200 м
фотодетекторы 192 ( 8 струн)
1993-1998 гг. - тестирование и поэтапное введение в эксплуатацию
с 1998 г. - сбор данных:
атмосферные мюоны ( 1 млн в день),
атмосферные нейтрино ( 1 в два дня ).

В настоящее время ведется поиск
нейтрино очень высоких энергий (Е > 100 TeV),
магнитных монополей,
нейтрино из WIMP аннигиляции в центре Земли.

Перспективы:
Нейтринный телескоп NT-200+
(Создается)
3 дополнительные струны вокруг NT-200
2003-2004 гг. - сборка,
эффективный объем для нейтрино очень высоких энергий возрастет в 3-4 раза по сравнению с NT-200

Гига-объемный детектор БАЙКАЛ (GVD)
(Предложено)
эффективный объем ~1 км3 (Е > 100 TeV)
струны ~ 90
фотодетекторы ~ 1500
В работе были использованы следующие материалы:
BAIKAL experiment: status report
Results from BAIKAL Neutrino Telescope
Материалы 28th International Cosmic Ray Conference.
В.И. Зацепин, Г.В. Куликов, Ю.А. Фомин. Развитие экспериментальных исследований по физике космических лучей
Чем знаменит Байкал?
BAIKAL DEEP-UNDERWATER NEUTRINO TELESCOPE

http://nuclphys.sinp.msu.ru/neutrino/ne … s/baik.htm

0

2

Реконструкция Байкальского нейтринного телескопа
6.04.2011

Тайны "темной материи" и "черных дыр" российские ученые намерены узнать с помощью подводного нейтринного телескопа, который находится в глубинах Байкала. Только этот прибор способен регистрировать мельчайшие частицы материи, хранящие информацию о неизвестных нам галактиках.

Высота - 70 метров, диаметр - 42 м. 200 шаров из особопрочного стекла - вся эта сложная конструкция и есть уникальный подводный телескоп, система, которая находится на глубине 1300 метров.

Нейтрино - элементарная частица, открытая физиками в 20-м веке. Она является единственным видом излучения, который приходит к земному наблюдателю из самых глубоких недр Солнца и других звезд, и несет в себе информацию об их внутренней структуре и о происходящих там процессах. Семь лет назад иркутским ученым совместно с московскими коллегами удалось сделать то, что не смогли даже американцы с их научными достижениями и бюджетом в миллиарды долларов. Первый в мире подводный нейтринный телескоп появился на озере Байкал.
Идея возникла еще 40 лет назад. В 1993 году ученые сошлись на мнении, что лучшее место для экспериментов – озеро Байкал. Здесь и глубина подходящая, и вода кристально чистая, а кроме того, нет сложности с монтажом. Зимой лед можно использовать как крепкую и надежную платформу. Если изучать солнечные нейтрино, то можно узнать, какие процессы происходят внутри звезды.

- Это нужно для того, чтобы изучать основные законы природы. Как наша Вселенная возникла, как она развивается, что с ней будет в будущем, - говорит профессор физического факультета ИГУ Николай Буднев.

Часть стеклянных шаров – так называемые фотоприемники, глаза телескопа. В остальных установлены мощные компьютеры, которые собирают информацию о зарегистрированных нейтрино. Уже после иформация стекается на берег, в "мозговой центр" научной базы. Система устроена так, что управлять ею можно с любой точки земного шара - по спутнику.

- Мы надеемся получить информацию о самых мощных источниках энергии в нашей Вселенной. Узнать, как они устроены, какая их природа, что в них происходит. Может быть, со временем из этого эксперимента можно будет извлечь какую-то практическую пользу. Может быть, будут открыты новые способы получения энергии. Этого никто не знает, пока ведутся фундаментальные исследования.

В этом году ученые планируют поднять телескоп со дна - для профилактики. Вначале достали поплавки и кабель, телескоп обесточили. Через неделю-другую начнут подъем старых гирлянд и монтаж новых. Физики намерены увеличить мощность телескопа в сто раз. Если все получится, то наши ученые смогут первыми в мире зарегистрировать сверхмощное нейтрино, которое дошло к нам из внегалактических энергетических источников.

Елена Малышкина, "Вести-Иркутск"

0

3

Справка «АиТ»:

Байкальский Нейтринный Телескоп (НТ-200)

Из всех элементарных частиц нейтрино - самые неуловимые и в тоже время самые интересные для физиков и астрономов. В 1930 году при изучении продуктов радиоактивного распада ядер было обнаружено, что энергия распадающегося ядра больше суммарной энергии продуктов распада. Вольфганг Паули предположил, что в продуктах распада должна быть еще одна легкая незаряженная частица, которая и уносит эту недостающую энергию. Энрико Ферми назвал ее "нейтрино". Хотя предположение Паули было правильным, экспериментально оно было подтверждено только в 1956, когда американские физики Райнс и Кован обнаружили взаимодействие с веществом нейтрино вылетающих из ядерного реактора.
Сейчас нам известно, что нейтрино очень маленькие, нейтральные, двигающиеся со скоростью света частицы. До недавнего времени считалось, что их масса равна нулю. Нейтрино почти не взаимодействуют с окружающим их веществом. Так, например, хотя через каждого из нас за секунду пролетают триллионы нейтрино, мы этого не замечаем. Только нейтрино могут, не задерживаясь пролететь через Землю насквозь. Поэтому экспериментальное исследование нейтрино чрезвычайно сложное дело.
Несмотря на свою неуловимость нейтрино, возможно, самые важные частицы во вселенной. По расчетам астрофизиков масса вселенной должна быть намного больше массы небесных тел, которые можно увидеть в телескоп. Нейтрино - один из возможных ответов на вопрос из чего же состоит эта невидимая часть вещества.
Нейтрино образуются в ходе разных ядерных реакций, поэтому их можно условно разделить по происхождению. Один из источников нейтрино - распад ядер в реакторах атомных электростанций (рис. 1). Средняя атомная электростанция излучает 1020 нейтрино в секунду. Именно реакторные нейтрино, благодаря большому их количеству, были впервые обнаружены экспериментально.

http://s009.radikal.ru/i310/1104/dc/2c48048cab21.jpg
Рис. 1. Реакторные нейтрино: образуются в активной зоне ядерного реактора при радиоактивном распаде тяжелых ядер.

Другой источник нейтрино - атмосфера Земли (рис. 2). Верхние слои атмосферы постоянно бомбардируются частицами, прилетающими из космоса (в основном это протоны). Прилетающий из космоса протон запускает цепочку ядерных реакций. В этих реакциях образуется множество разных частиц, в том числе и нейтрино. Такие нейтрино называют атмосферными.

http://s003.radikal.ru/i204/1104/81/efe8496fcf39.jpg
Рис. 2. Атмосферные нейтрино: образуются в атмосфере Земли под действием космических лучей.

Третий источник нейтрино - Солнце (рис. 3). Внутри Солнца идут термоядерные реакции. В них более легкие ядра соединяются в более тяжелые. Часть из этих реакций идет с образованием нейтрино. Например, два протона образуют ядро гелия, позитрон (античастица к электрону) и нейтрино. В другом случае ядро бора превращается в ядро бериллия, позитрон и нейтрино. Образовавшиеся нейтрино проходят через Солнце и улетают в космос в разных направлениях. В каждой из таких реакций рождаются нейтрино со своей энергией. Измерив количество нейтрино летящих из Солнца и их энергию можно определить интенсивность реакций в которых они образуются и таким образом лучше понять, что происходит внутри Солнца.

http://s56.radikal.ru/i151/1104/9f/7a37cca5b889.jpg
Рис. 3. Солнечные нейтрино: рождаются в термоядерных реакциях внутри Солнца.

Для того, чтобы увидеть следы одного взаимодействия нейтрино с веществом надо неделями наблюдать за сотнями тонн вещества. Огромные экспериментальные установки делающие это называются нейтринными телескопами или детекторами нейтрино. Когда нейтрино взаимодействует с атомом вещества образуются мюоны - тяжелые заряженные частицы. В свою очередь, если эти мюоны проходят через что-то плотное и прозрачное, например воду или лед они испускают вспышки света называющиеся Черенковским излучением. Этот свет улавливается светочувствительными фотоумножителями нейтринного телескопа, сигнал с которых записывается для дальнейшего анализа (рис. 4). С помощью такой экспериментальной установки можно определить направление прилета и энергию нейтрино. Чтобы выделить мюоны от нейтрино из намного большего количества мюонов из космических лучей при обработке данных выбираются частицы летящие снизу вверх. Таким образом, Земля служит щитом, задерживающим все частицы кроме нейтрино. Чтобы уменьшить количество отсеиваемых событий детектор погружается в воду на большую глубину.

http://s42.radikal.ru/i096/1104/e8/0675724f1ae3.gif
Рис. 4. Принцип работы детектора.

Байкальский Нейтринный Телескоп (БНТ) созданный российскими учеными состоит из двух сотен светочувствительных фотоумножителей закрепленных на восьми тросах и спущенных в воду южного Байкала на глубину больше километра. В работе с телескопом участвуют ученые из Московского Государственного Университета, Института Ядерных Исследований в Троицке, Иркутского Государственного Университета и других российских и зарубежных университетов и институтов. Работа над БНТ продолжается уже более десяти лет. В 1993 начала работу первая тестовая модификация телескопа из 36 фотоумножителей расположенных на трех тросах. Постепенно экспериментаторы увеличивали количество фотоумножителей и соответственно объем воды просматриваемый детектором. Сейчас телескоп состоит из 200 фотоумножителей на восьми тросах (рис. 5).

http://i031.radikal.ru/1104/60/04d1a0960f54.jpg
Рис. 5. Схема расположения детекторов черенковского излучения
Байкальского нейтринного телескопа.

Проанализировав данные полученные телескопом исследователи не нашли свидетельств того, что телескоп "видит" какие-то нейтрино, кроме атмосферных. Количество нейтрино, зарегистрированных телескопом, равно теоретически рассчитанному количеству атмосферных нейтрино. Нет каких-либо странностей и в направлениях прилета частиц. Хотя такие результаты экспериментов не так интересны, как могли бы быть, отсутствие нейтрино внеземного происхождения тоже важный научный результат. В дальнейшем исследователи планируют увеличить размеры и, соответственно, чувствительность телескопа. Это позволит продолжить эксперимент с большей точностью (см. новость выше).
Проанализировав данные полученные телескопом исследователи не нашли свидетельств того, что телескоп "видит" какие-то нейтрино, кроме атмосферных. Количество нейтрино, зарегистрированных телескопом, равно теоретически рассчитанному количеству атмосферных нейтрино. Нет каких-либо странностей и в направлениях прилета частиц. Хотя такие результаты экспериментов не так интересны, как могли бы быть, отсутствие нейтрино внеземного происхождения тоже важный научный результат. В дальнейшем исследователи планируют увеличить размеры и, соответственно, чувствительность телескопа. Это позволит продолжить эксперимент с большей точностью (см. новость выше).

http://i019.radikal.ru/1104/77/8aa467742c99.jpg
Долина реки Ивановки. Байкальский технический стационар ИЯИ РАН.
Береговой центр байкальского нейтринного телескопа НТ-200.

http://i082.radikal.ru/1104/f1/f7a4b905a778.jpg

Лаборатория нейтринной физики. Фотодатчики.

http://i014.radikal.ru/1104/8d/eec9a211bbfd.jpg
Лаборатория нейтринной физики. Сфера с аппаратурой.
Из таких вот сфер, размещенных на глубине 1 км,
и состоит нейтринный телескоп.

http://s45.radikal.ru/i109/1104/d3/f646ecdfe7b5.jpg
Навигационный знак для работы с нейтринным телескопом.

http://s45.radikal.ru/i108/1104/07/efd6617cf5d8.jpg
Долина р. Ивановки. Вагончики лаборатории нейтринной астрофизики высоких энергий.

http://www.astronomer.ru/news.php?action=1&nid=423

0

4

Monika написал(а):

Байкальский Нейтринный Телескоп (НТ-200)

Интересно... http://s017.radikal.ru/i408/1210/14/24fb2fe07675.gif

0


Вы здесь » Lilitochka-club » Байкал » Байкальский нейтринный телескоп


Рейтинг форумов | Создать форум бесплатно © 2007–2016 «QuadroSystems» LLC